DE10130078B4

DE10130078B4 - Piezoelektrische Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10130078B4
Application number: DE10130078A
Authority: DE
Inventors: Tak K. Wang; Clayton E. Law
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2021-06-22
Also published as: GB2368453B; GB0115242D0; US6297576B1; GB2368453A; DE10130078A1

Abstract

Betätigungsvorrichtungsanordnung (10), die folgende Merkmale aufweist:
einen ersten (12) und einen zweiten Stapel (27) aus piezoelektrischen Materialien mit Elektrodenschichten (14), die die Stapel (12, 27) mit einer Spannungsquelle verbinden;
einen Hohlraum (25), der in dem ersten Stapel (12) definiert und angepaßt ist, um den zweiten Stapel (27) aufzunehmen, der mit einem ersten Ende mit dem ersten Stapel (12) verbunden ist;
eine erste Öffnung (18) und eine zweite Öffnung (20), die in dem ersten Stapel (12) definiert sind und sich in Fluidkommunikation mit dem Hohlraum (25) befinden, wobei die erste Öffnung (18) umgebend auf der Innenseite des Hohlraums (25) eine flache Oberfläche (19) ausgebildet ist, und der zweite Stapel (27) an seinem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende eine flache Fläche (28) aufweist, die der flachen Oberfläche (19) gegenüberliegt, zum Bilden einer Kontaktabdichtung mit der flachen Oberfläche (19); wobei
der erste (12) und der zweite (27) Stapel...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum genauen Steuern der relativen Position von zwei Oberflächen. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf piezoelektrische oder magnetostriktive Betätigungsvorrichtungen.
Piezoelektrische Materialien und magnetostriktive Materialien (nachfolgend gemeinsam als „piezoelektrische Materialien" bezeichnet) verformen sich, wenn ein elektrisches Feld oder ein magnetisches Feld angelegt wird. Folglich sind piezoelektrische Materialien, wenn sie als eine Betätigungsvorrichtung verwendet werden, in der Lage, die relative Position von zwei Oberflächen zu steuern.
Eines der am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien ist Quarz. Andere piezoelektrische Materialien umfassen bestimmte Keramikmaterialien und bestimmte Polymermaterialien. Da sie in der Lage sind, die relative Position von zwei Oberflächen zu steuern, wurden piezoelektrische Materialien in der Vergangenheit als Ventilbetätigungsvorrichtungen und Positionssteuerungen für Mikroskope verwendet. Piezoelektrische Materialien, insbesondere diejenigen des Keramiktyps, sind in der Lage, eine große Menge an Kraft zu erzeugen. Sie sind jedoch nur in der Lage, eine kleine Verschiebung zu erzeugen, wenn eine hohe Spannung angelegt wird. Im Fall von piezoelektrischer Keramik kann diese Verschiebung ein Maximum von 0,1 % der Länge des Materials betragen. Daher werden piezoelektrische Materialien als Ventilbetätigungsvorrichtungen und Positionssteuerungen für Anwendungen verwendet, die kleine Verschiebungen erfordern.
Zwei Verfahren zum Erzeugen von mehr Verschiebung pro Einheit von angelegter Spannung umfassen bimorphe Anordnungen und Stapelanordnungen. Bimorphe Anordnungen umfassen zwei piezoelektrische Keramikmaterialien, die zusammengebunden sind und durch einen Rand an ihren Kanten beschränkt sind, derart daß sich, wenn eine Spannung angelegt wird, eines der piezoelektrischen Materialien verkleinert und das andere piezoelektrische Material ausdehnt. Die resultierende (mechanische) Spannung bewirkt, daß die Materialien eine Kuppel bilden. Die Verschiebung in der Mitte der Kuppel ist größer als die Verkleinerung oder Ausdehnung der einzelnen Materialien. Das Beschränken des Rands der bimorphen Anordnung verringert jedoch den Betrag der erhältlichen Verschiebung. Darüber hinaus ist die Kraft, die durch eine bimorphe Anordnung erzeugt wird, wesentlich niedriger als die Kraft, die durch die Verkleinerung oder Ausdehnung der einzelnen Materialien erzeugt wird.
Die Stapelanordnungen enthalten mehrere Schichten aus piezoelektrischem Material, die mit Elektroden angeordnet sind, die miteinander verbunden sind. Eine Spannung über die Elektroden bewirkt, daß sich der Stapel ausdehnt oder zusammenzieht bzw. kontrahiert. Die Verschiebung des Stapels ist gleich wie die Summe der Verschiebungen der einzelnen Materialien. Folglich sind, um merkliche Verschiebungsabstände zu erreichen, eine sehr hohe Spannung oder viele Schichten erforderlich. Herkömmliche Stapelbetätigungsvorrichtungen verlieren jedoch Positionskontrolle aufgrund der thermischen Ausdehnung des piezoelektrischen Materials und des Materials/der Materialien, auf dem/denen der Stapel befestigt ist.
Aufgrund der hohen Stärke oder Steifheit des piezoelektrischen Materials ist es zum Öffnen und Schließen gegen starke Kräfte in der Lage, wie z. B. die Kraft, die durch einen hohen Druck erzeugt wird, der auf einen großen Oberflächenbereich wirkt. Folglich ermöglicht die hohe Stärke des piezoelektrischen Materials die Verwendung einer großen Ven tilöffnung, die die Verschiebung oder Betätigung reduziert, die notwendig ist, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen.
Die typische Betätigungsabstandsanforderung für Flüssigkeits- und Gas- (nachfolgend gemeinsam als „Fluid" bezeichnet) ventile ist klein, im allgemeinen weniger als 5 μm. Die meisten sind jedoch durch den Druck einer Elastomerabdichtung abgedichtet. In der Praxis ist es die Bildung einer Abdichtung, die durch die erforderliche Kompression der Elastomerabdichtung bewirkt wird, die einen großen Teil des 5-μm-Betätigungsabstands benötigt.

Die DE 196 54 782 C2 zeigt einen Einspritzinjektor mit teleskopartig ineinander verschachtelten Piezo-Körpern. Die Piezo-Körper sind mittels hutförmiger Elemente derart miteinander verbunden, daß eine Erhöhung des Hubs erreicht wird. Die Piezo-Körper dehnen sich dabei in der gleichen Richtung aus. Der Verschluß eines Ventils erfolgt über eine Kugel.

Die DE 197 43 299 C2 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern eines Stellglieds, wobei die Ansteuerung mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktors erfolgt. Eine Ventilnadel liegt gegen die Federkraft des Aktors in einem V-förmigen Ventilsitz auf.

Aus der DE 195 46 570 C1 ist eine Fluidpumpe mit einer flächigen Kontaktabdichtung bekannt. Ein Verdränger, der mit einer Auslaßöffnungen ein Ventil bildet, wird mittels eines Piezo-Biegewandlers betätigt. Im Ruhezustand ist der Verdränger in flächigem Kontakt mit einem Pumpenkörper, in dem die Auslaßöffnung gebildet ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungsvorrichtung und ein Array von Betätigungsvorrichtungen zur genauen Steuerung der relativen Position von zwei Oberflächen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 und ein Array von Betätigungsvorrichtungsanordnungen gemäß Anspruch 15 gelöst.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Betätigungsvorrichtungsanordnung bzw. Aktuatoranordnung. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein- und zweidimensionale Arrays von piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungsanordnungen.

Es wurde von den Erfindern festgestellt, daß durch Zusammendrücken zweier sauberen flachen Oberflächen eine gute Abdichtung gebildet werden kann. Es ist daher nicht notwendig, eine Elastomerabdichtung zu haben, solange die beiden Gegenoberflächen sauber und flach sind, und solange die Kraft ausreichend ist, um die Oberflächen in Kontakt zueinander zu halten.

Daher verwendet die vorliegende Erfindung die starke Kraft, die durch piezoelektrische Materialien erzeugt wird, um eine Kraft zu liefern, die ausreichend ist, um die relative Position zweier flachen Oberflächen zueinander genau zu steuern. Darüber hinaus überwindet die vorliegende Erfindung den minimalen Betätigungsabstand, der von piezoelektrischen Materialien erhältlich ist, dadurch, daß keine Elastomerabdichtungen erforderlich sind, und daß der Betätigungsabstand, der von piezoelektrischen Materialien erhältlich ist, durch eine einmalige Struktur effektiv gedoppelt wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Bodenansicht der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2a eine perspektivische Draufsicht der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
2b eine Draufsicht der Schichten von 2a;
3 eine erste Querschnittsansicht der Betätigungsvorrichtung von 1;
4a eine zweite Querschnittsansicht der Betätigungsvorrichtung von 1;
4b eine dritte Querschnittsansicht der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung von 1;
5a eine Querschnittsansicht wie in 3, die die Betätigungsvorrichtung in einem offenen Zustand zeigt;
5b eine Querschnittsansicht wie in 4a, die die Betätigungsvorrichtung in einem offenen Zustand zeigt;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Betätigungsvorrichtung von 1;
7a eine perspektivische Draufsicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
7b eine Querschnittsansicht der Betätigungsvorrichtung von 7a;
8 eine Querschnittsansicht eines eindimensionalen Arrays von piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen; und
9 eine perspektivische Ansicht eines zweidimensionalen Array von piezoelektrischen Betätigungsvorrichtungen.
Die in den 1, 2a und 2b gezeigte piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 10 umfaßt einen Stapel von mehreren Schichten 12 aus einzelnen piezoelektrischen Materialien, die mit Elektrodenschichten 14 und einer Öffnungsschicht 16 versetzt sind. Ein Boden 8 der Betätigungsvorrichtung 10 umfaßt ferner eine Öffnungsschicht 16. Die Öffnungsschicht 16 umfaßt eine Mehrzahl von Öffnungen, vorzugsweise eine erste Öffnung 18 und eine zweite Öffnung 20.
Die Betätigungsvorrichtung 10 ist mit insgesamt vier Schichten 12 (12-1, 12-2, 12-3 und 12-4) und drei Elektrodenschichten 14 (14-1, 14-2 und 14-3) gezeigt, die nur zu Demonstrationszwecken betrachtet werden sollen, da vorzugsweise mehr als vier Schichten 12 und entsprechende Elektrodenschichten 14 verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Betätigungsvorrichtung 10 eine ausreichende Anzahl von Schichten, um zumindest 3 μm an Betätigung zu liefern. Bei einem noch bevorzugteren Ausführungsbeispiel liefert die Betätigungsvorrichtung 10 darüber hinaus etwa 20 μm an Betätigung.
Die Betätigungsvorrichtung 10 weist einen ringförmigen Hohlraum 25 auf, der darin definiert ist, und der in den 3, 4a und 4b gezeigt ist. In dem Hohlraum 25 ist gegenüberliegend zu der Öffnungsschicht 16 ein zylindrischer Kern 27 gebildet. Der Kern 27 weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der ersten Öffnung 18. Gleichartig zu der Betätigungsvorrichtung 10 enthält der Kern 27 einen zweiten Stapel von mehreren Schichten 12 aus einzelnen piezoelektrischen Materialien. Der Hohlraum 25 ist innerhalb der Betätigungsvorrichtung 10 durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel gebildet. Zusätzlich können Abschnitte des Hohlraums 25 teilweise in die nicht gehärteten piezoelektrischen Materialien durchgeschlagen werden, und das verbleibende Material durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel entfernt werden.
Die erste Öffnung 18, die innerhalb der Öffnungsschicht 16 definiert ist, weist einen Durchmesser von etwa 75 μm auf. Der Hohlraum 25 weist einen Außendurchmesser von etwa 4 mm auf und einen Innendurchmesser, der den Kern 27 bildet, von etwa 3 mm. Die zweite Öffnung 20 weist einen Durchmesser von zumindest 75 μm auf, vorzugsweise etwa 150 μm. Obwohl die erste Öffnung 18, der Kern 27, der Hohlraum 25 und die zweite Öffnung 20 mit einem „Durchmesser" beschrieben sind, wird ein Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, daß andere Querschnitte verwendet werden können, wie z. B. Ovale, Quadrate, Rechtecke und dergleichen.
Die Öffnungsschicht 16 besteht aus einem Material, das ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweist wie die Schichten 12. Ein geeignetes Material für die Öffnungsschicht 16 ist Silizium. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel besteht die Öffnungsschicht 16 ebenfalls aus piezoelektrischen Materialien. Die erste Öffnung 18 und die zweite Öffnung 20 sind, falls sie aus Silizium bestehen, durch chemisches Ätzen, Ultraschallfräsen, Laserschneiden und andere geeignete Mittel innerhalb der Schicht 16 gebildet. Die erste Öffnung 18 und die zweite Öffnung 20 sind, falls sie aus piezoelektrischen Materialien bestehen, durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel innerhalb der Schicht 16 gebildet. Zusätzlich können Abschnitte der ersten Öffnung 18 und der zweiten Öffnung 20 teilweise in die nicht gehärteten piezoelektrischen Materialien durchgeschlagen werden und das verbleibende Material kann durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel entfernt werden.
Die elektrische Verbindung der Elektrodenschichten 14 ist in den 2a, 2b, 4a und 4b gezeigt. In jeder Schicht 12 sind Anpassungslöcher 31 gebildet. Die Löcher 31 sind durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden, teilweises Durchschlagen und teilweise maschinelle Bearbeitung oder andere geeignete Mittel gebildet. Die Elektrodenschicht 14 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, wie z. B. einer Schicht von elektrisch leitfähiger Tinte, die auf die Oberseite jeder Schicht 12 gedruckt ist, mit der Ausnahme der obersten Schicht 12-1, die keine Elektrodenschicht 14 benötigt. Andere geeignete elektrisch leitfähige Materialien können verwendet werden, wie z. B. aufgedampfte Metallschichten.
Die oberste Schicht 12-1 weist elektrisch leitfähige Anschlußflächen P1, P2, P3 und P4 auf, die auf der obersten Oberfläche 9 derselben angeordnet sind. Wie in 2b gezeigt, ist die Elektrodenschicht 14-1 auf der Schicht 12-2 angeordnet, außer in den Bereichen 23, die um die Löcher 31-4 und 31-1 definiert sind. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Vakuum angelegt, um die Elektrodenschicht 14-1 in die Löcher 31-3 und 31-2 zu ziehen. Die Elektrodenschicht 14-2 wird auf die Schicht 12-3 gedruckt, außer in den Bereichen 23, die um die Löcher 31-3 und 31-2 definiert sind. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Vakuum angelegt, um die Elektrodenschicht 14-2 in die Löcher 31-1 und 31-4 zu ziehen. Diese Struktur von abwechselnden Bereichen 23 zwischen den Löchern 31-4/31-1 und 31-3/31-2 auf den aufeinanderfolgenden Schichten 12 ermöglicht die elektrische Verbindung von jeder zweiten Schicht 12 durch das Füllen von Löchern 31 mit einem elektrischen Leiter 29, nachdem die Schichten 12 mit Elektrodenschichten 14, die darauf angeordnet sind, gestapelt wurden. Beispielsweise bildet der Leiter 29 innerhalb der Löcher 31-1, 31-2 eine elektrische Verbindung mit der Elektrodenschicht 14-2, aber bildet aufgrund der Bereiche 23 keine elektrische Verbindung mit den Elektrodenschichten 14-1, 14-3. Darüber hinaus bildet der Leiter 29 innerhalb der Löcher 31-3, 31-4 eine elektrische Verbindung mit den Elektrodenschichten 14-1 und 14-3, aber aufgrund der Bereiche 23 keine elektrische Verbindung mit der Elektrodenschicht 14-2.
Die Anschlußflächen P1 und P2 sind elektrisch miteinander verbunden, und die Anschlußflächen P3 und P4 sind elektrisch miteinander verbunden. Eine Spannung, die an P1/P2 und an P3/P4 angelegt wird, bewirkt, daß sich die Betätigungsvorrichtung 10 in eine Richtung, die durch Pfeil A gezeigt ist, ausdehnt, und bewirkt, daß sich der Kern 27 in einer Richtung, die dem Pfeil A entgegengesetzt ist, zusammenzieht. Die Spannung, die an die Elektrodenschichten 14 angelegt wird, erzeugt ein elektrisches Feld über die Schichten 12 der Betätigungsvorrichtung 10, und bewirkt, daß sich die Schichten 12 in die Richtung, die durch den Pfeil A gezeigt ist, ausdehnen, und daß sich der Kern 27 in der Richtung, die dem Pfeil A entgegengesetzt ist, zusammenzieht. Folglich ist die Gesamtverschiebung der Ausdehnung der Betätigungsvorrichtung 10 und der Zusammenziehung des Kerns 27 gleich wie zweimal die Summe der Verschiebung, die durch die einzelnen Schichten 12 geliefert wird. Umgekehrt bewirkt die Entfernung der Spannung, die an die Elektroden 14 angelegt ist, daß sich die Betätigungsvorrichtung 10 in einer Richtung, die der Richtung, die durch den Pfeil A gezeigt ist, entgegengesetzt ist, zusammenzieht, und sich der Kern 27 in der Richtung, die durch den Pfeil A gezeigt ist, ausdehnt.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind entweder die Anschlußflächen P1 und P2 elektrisch miteinander verbunden, oder die Anschlußflächen P3 und P4 sind elektrisch miteinander verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel bewirkt Spannung, die an P1/P2 angelegt wird, daß sich die Betätigungsvorrichtung 10 in einer Richtung, die durch den Pfeil A gezeigt ist, ausdehnt, und eine Spannung, die an P1/P2 angelegt ist, bewirkt, daß sich der Kern 27 in einer Richtung, die dem Pfeil A entgegengesetzt ist, zusammenzieht.
Während der Verwendung wird von einer Spannungsquelle 60, wie z. B. einer Batterie, einem Standardnetzstecker, einem Kondensator, einer photovoltaischen Zelle oder einer beliebigen geeigneten Quelle Spannung an die Betätigungsvorrichtung 10 angelegt.
Die Ausdehnung der Betätigungsvorrichtung 10 und die Zusammenziehung des Kerns 27 bewegen eine flache Fläche 28, die auf einem Ende des Kerns 27 angeordnet ist, weg von einer Innenoberfläche 19 der ersten Öffnung 18. In den 3, 4a und 4b ist die erste Öffnung 18 in einem geschlossenen Zustand gezeigt, wobei die Betätigungsvorrichtung 10 zusammengezogen und der Kern 27 ausgedehnt ist, um die Fläche 28 an die Oberfläche 19 abzudichten. In den 5a und 5b ist die erste Öffnung 18 in einem geöffneten Zustand gezeigt, wobei die Betätigungsvorrichtung 10 ausgedehnt und der Kern 27 zusammengezogen ist, um die Fläche 28 von der Oberfläche 19 zu lösen.
Die Betätigungsvorrichtung 10 in dem offenen Zustand plaziert die zweite Öffnung 20 in Fluidkommunikation mit der ersten Öffnung 18. Die Betätigungsvorrichtung 10 in dem geschlossenen Zustand dichtet die zweite Öffnung 20 von der ersten Öffnung 18 ab.
Aufgrund der Anpassung von Materialien des Kerns 27, der Betätigungsvorrichtung 10 und optional der Öffnungsschicht 16 wird die relative Position der Oberfläche 19 und der Fläche 28 durch Temperaturänderungen nicht wesentlich beeinträchtigt. Beispielsweise sind Temperaturänderungen nicht ausreichend, um die Kontaktabdichtung zwischen der Oberfläche 19 und der Fläche 28 zu beeinträchtigen. Dies ermöglicht sehr genaue Steuerung der relativen Position der Flächen 19 und 28 sowohl in dem offenen als auch dem geschlossenen Zustand.
Um eine vollständige Abdichtung sicherzustellen, sind die Oberfläche 19 und die Fläche 28 glatt und flach. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind beide Flächen 19 und 28 poliert. Bei noch einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, weist die Oberfläche 19 eine ringförmige Einfügung 30 auf, und auf der Fläche 28 ist eine passende ringförmige Einfügung 30' angeordnet. Die Einfügungen 30, 30' bestehen aus Materialien, die nicht zusammendrückbar sind, und die ähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften aufweisen wie die Schichten 12. Ein geeignetes Material für die Einfügungen 30, 30' ist Silizium. Vorzugsweise ist die Einfügung 30 ein ringförmiger Rand, der um die Öffnung 18 angeordnet ist. Der ringförmige Rand 30 weist eine Breite von etwa 200 μm auf.
Die Betätigungsvorrichtung 10 ist angepaßt, um Fluid durch die erste Öffnung 18 zu empfangen, und ist angepaßt, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die erste Öffnung 18 in Fluidkommunikation mit der zweiten Öffnung 20 zu plazieren. Umgekehrt ist die Betätigungsvorrichtung 10 angepaßt, um Fluid durch die zweite Öffnung 20 zu empfangen und ist angepaßt, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die zweite Öffnung 20 in Fluidkommunikation mit der ersten Öffnung 18 zu plazieren. Folglich kann die Betätigungsvorrichtung 10 bidirektional verwendet werden.
Die Bewegung, die durch jede Schicht 12 geliefert wird, ist proportional zu der Spannung, die an die Elektrodenschichten 14 angelegt wird. Folglich verhält sich die erforderliche Spannung für die Schichten 12 mit der gleichen Gesamtgröße und Verschiebung invers zu der Anzahl der Schichten 12. Beispielsweise verschiebt sich eine Betätigungsvorrichtung 10 mit hundert Schichten 12, hundert Elektrodenschichten 14 und einer Gesamtdicke von 5 mm um etwa 5 μm, wenn 50 Volt angelegt werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Betätigungsvorrichtung 10 würfelförmig und weist Abmessungen auf, die gleich sind zu etwa 5 mm mal 5 mm mal 5 mm. Die Betätigungsvorrichtung 10 weist eine typische Betätigungsspannung von etwa 50 Volt auf und eine maximale Verschiebung von etwa 20 μm. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede Schicht 12 der Betätigungsvorrichtung 10 etwa 200 μm dick, jede Elektrodenschicht 14 ist etwa 0,1 μm dick und die Öffnungsschicht 16 ist etwa 500 μm dick. Folglich würde die Betätigungsvorrichtung 10 bei diesem Ausführungsbeispiel etwa fünfundzwanzig Schichten 12 und vierundzwanzig Elektrodenschichten 14 umfassen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel umfaßt die Öffnungsschicht 16 nicht die zweite Öffnung 20, statt dessen ist die zweite Öffnung in der Oberseite der Betätigungsvorrichtung 10 definiert, wobei die zweite Öffnung 20 in Fluidkommunikation mit dem Hohlraum 25 ist, wie es in den 7a und 7b gezeigt ist.
Der Fluidfluß durch die Betätigungsvorrichtung 10 kann durch Variieren der Spannung, die an die Elektrodenschichten 14 angelegt ist, um die Betätigungsvorrichtung 10 teilweise zu öffnen, zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand geregelt werden. Folglich führt bei dem oben beschriebenen Beispiel, bei dem 50 Volt etwa 5 μm Betätigungsabstand liefern, das Anlegen von 40 Volt zu einem Betätigungsabstand von etwa 4 μm.
Die Betätigungsvorrichtung 10 ist ferner angepaßt, um als ein eindimensionales Array 40 von Betätigungsvorrichtungen 10 angeordnet zu werden, wie es in 8 gezeigt ist. Die Betätigungsvorrichtung 10 ist ferner angepaßt, um als ein zweidimensionales Array 50 von Betätigungsvorrichtungen 10 angeordnet zu werden, wie es in 9 gezeigt ist. Die Arrays 40, 50 sind nur der Einfachheit halber als regelmäßige Arrays gezeigt. Die vorliegende Erfindung soll unregelmäßige ein- und zweidimensionale Arrays umfassen.
Das Array 40, 50 ist angepaßt, um Fluid durch die erste Öffnung 18 von einer gemeinsamen Quelle zu empfangen, und ist angepaßt, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die ersten Öffnungen 18 aller Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den zweiten Öffnungen 20 zu setzen, um somit das Fluid zu einer gemeinsamen Rohrleitung auszugeben. Es wird darauf hingewiesen, daß das Array 40, 50 ebenfalls angepaßt sein kann, um Fluid durch die zweiten Öffnungen 20 von einer gemeinsamen Quelle zu empfangen, und angepaßt, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die zweiten Öffnungen 20 aller Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den Öffnungen 18 zu plazieren, um somit das Fluid zu einer gemeinsamen Rohrleitung auszugeben.
Alternativ ist das Array 40, 50 angepaßt, um Fluid durch die ersten Öffnungen 18 von einer gemeinsamen Quelle zu empfangen, und ist angepaßt, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die ersten Öffnungen 18 von zumindest einigen Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den zweiten Öffnungen 20 zu plazieren, und somit das Fluid zu einer ersten gemeinsamen Rohrleitung auszugeben. Das Array 40, 50 kann ferner angepaßt sein, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die Öffnungen 18 von anderen der Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den zweiten Öffnungen 20 zu plazieren, und somit das Fluid zu einer zweiten gemeinsamen Rohrleitung auszugeben. Somit kann das Array 40, 50 als ein Dreiwegeventil verwendet werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß das Array 40, 50 außerdem angepaßt sein kann, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die zweiten Öffnungen 20 von zumindest einigen der Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den Öffnungen 20 zu plazieren, und somit das Fluid an eine erste gemeinsame Rohrleitung auszugeben. Das Array 40, 50 kann ferner angepaßt sein, um sich selektiv zu öffnen oder zu schließen, um die zweiten Öffnungen 20 von anderen der Betätigungsvorrichtungen 10 in Fluidkommunikation mit den ersten Öffnungen 18 zu setzen, und somit das Fluid zu einer zweiten gemeinsamen Rohrleitung auszugeben.
Der Fluidfluß durch das Array 40 kann durch Variieren der Spannung, die an die Elektroden 14 angelegt ist, geregelt werden, wie es oben beschrieben ist. Zusätzlich kann der Fluß optional durch Liefern von Spannung an die Elektroden 14 von nur den Betätigungsvorrichtungen von Array 40, 50, die notwendig sind, um den gewünschten Fluß zu liefern, geregelt werden. Darüber hinaus können beide Verfahren kombiniert werden, so daß einige Betätigungsvorrichtungen 10 des Arrays 40, 50 vollständig geöffnet sein können, einige geschlossen, und andere teilweise geöffnet.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Schichten 12 durch Mischen von Keramikpulver mit organischen Lösungsmitteln und Wasser hergestellt, um eine halbfeste Masse zu liefern. Die Masse wird in der gewünschten Dicke auf ein Trägermaterial gegossen. Keramiken in dieser Form sind in dem „grünen" oder „ungebrannten" Zustand. Der Keramikguß wird in die Form, die für jede Schicht 12 der Betätigungsvorrichtung 10 gewünscht ist, geschnitten. Wie oben beschrieben, werden die Elektrodenschichten 14 auf die Schichten 12 angeordnet, während diese in dem grünen Zustand sind.
Das Trägermaterial wird von den Schichten 12 abgezogen, und sie werden einzeln aufeinander gestapelt, um die gewünschte Höhe der Betätigungsvorrichtung 10 zu liefern. Der Stapel von Schichten 12 wird einem Hitze/Kompressionszyklus unterworfen. Der Stapel wird auf etwa 2.000 psi zusammengedrückt und auf 80°C erwärmt. Dieser Zyklus dient dazu, alle Luftlöcher zwischen den Schichten 12 und 14 der Betätigungsvorrichtung 10 zu entfernen.
Die elektrisch leitfähigen Anschlußflächen P1, P2, P3, P4 sind auf der Schicht 12-1 angeordnet, und die Löcher 31 sind mit dem elektrischen Leiter 29 gefüllt. Ein Vakuum kann angelegt werden, um dabei zu helfen, den elektrischen Leiter 29 in die Löcher 31 zu ziehen.
Die Betätigungsvorrichtung 10 wird dann in einem Brennofen oder Ofen gehärtet. Es werden Standarderwärmungskurven, die in der Technik bekannt sind, verwendet, um die Betätigungsvorrichtung 10 zu härten. Bei einer solchen Erwärmungskurve wird die Temperatur innerhalb des Brennofens auf etwa 400°C erhöht. Die Temperatur bleibt für etwa eine Stunde bei etwa 400°C. Diese erste Halteperiode ermöglicht es den organischen Lösungsmitteln und dem Wasser innerhalb der Schichten 12, 14, langsam von der Betätigungsvorrichtung 10 zu verdampfen. Am Ende der einstündigen Periode wird die Temperatur auf etwa 900°C erhöht, und allmählich auf Raumtemperatur abgekühlt. Am Ende dieses Zyklus weist die Betätigungsvorrichtung 10 eine gehärtete Struktur auf.
Um die Betätigungsvorrichtung 10 mit den oben beschriebenen Ausdehnungs- und Zusammenziehungseigenschaften zu versehen, muß die Betätigungsvorrichtung über einen Polungsprozeß polarisiert werden. Die Betätigungsvorrichtung 10 wird auf etwa 500°C erwärmt, und eine Spannung von etwa 400 Volt wird an die Elektroden angelegt. Die Spannung wird während des gesamten Erwärmungs- und Abkühlungsprozesses an die Betätigungsvorrichtung 10 angelegt. Der Polungsprozeß richtet die Kristallstruktur innerhalb der Betätigungsvorrichtung 10 aus, um Ausdehnung und Zusammenziehung zu ermöglichen. Während des Polungsprozesses werden entweder die Anschlußflächen P1 und P3 elektrisch miteinander verbunden, oder die Anschlußflächen P2 und P4 sind elektrisch miteinander verbunden. Die Spannung, die an P1/P3 oder P2/P4 angelegt wird, bewirkt, daß sich die Kristallstruktur der Keramikmaterialien innerhalb der Schichten 12 der Betätigungsvorrichtung 10 ausrichtet, und ermöglicht somit die Ausdehnung und Zusammenziehung, die oben beschrieben sind.
Nach dem Polungsprozeß wird in der Betätigungsvorrichtung 10 durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel, wie sie oben beschrieben sind, der Hohlraum 25 gebildet. Zusätzlich können Abschnitte des Hohlraums 25 teilweise durch die Grünkeramik geschlagen werden, und das verbleibende Material kann durch maschinelle Bearbeitung, Ultraschallfräsen, Laserschneiden oder andere geeignete Mittel, die oben beschrieben sind, entfernt werden. In dem Fall, daß Abschnitte des Hohlraums 25 und des Kerns 27 in der Betätigungsvorrichtung 10 vor dem Polungsprozeß durchgeschlagen werden, müssen die Anschlußflächen P1/P3 und die Anschlußflächen P2/P4 während dem Polungsprozeß elektrisch miteinander verbunden sein.

Claims

Betätigungsvorrichtungsanordnung (10), die folgende Merkmale aufweist: einen ersten (12) und einen zweiten Stapel (27) aus piezoelektrischen Materialien mit Elektrodenschichten (14), die die Stapel (12, 27) mit einer Spannungsquelle verbinden; einen Hohlraum (25), der in dem ersten Stapel (12) definiert und angepaßt ist, um den zweiten Stapel (27) aufzunehmen, der mit einem ersten Ende mit dem ersten Stapel (12) verbunden ist; eine erste Öffnung (18) und eine zweite Öffnung (20), die in dem ersten Stapel (12) definiert sind und sich in Fluidkommunikation mit dem Hohlraum (25) befinden, wobei die erste Öffnung (18) umgebend auf der Innenseite des Hohlraums (25) eine flache Oberfläche (19) ausgebildet ist, und der zweite Stapel (27) an seinem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende eine flache Fläche (28) aufweist, die der flachen Oberfläche (19) gegenüberliegt, zum Bilden einer Kontaktabdichtung mit der flachen Oberfläche (19); wobei der erste (12) und der zweite (27) Stapel angepaßt sind, um ansprechend auf eine Spannung von der Spannungsquelle (60) die flache Fläche (28) von der flachen Oberfläche (19) zu lösen.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die erste Öffnung (18) innerhalb einer Öffnungsschicht (16) gebildet ist.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 2, bei der die zweite Öffnung (20) innerhalb der Öffnungsschicht (16) gebildet ist.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Öffnungsschicht (16) thermische Eigenschaften aufweist, die ähnlich zu denjenigen des Stapels sind.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 4, bei der die Öffnungsschicht (16) Silizium umfaßt.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der erste (12) und der zweite (27) Stapel aus Keramikmaterial bestehen.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem sich ansprechend auf die Spannung der erste Stapel (12) ausdehnt und der zweite Stapel (27) zusammenzieht.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Position der Fläche (28) und der Oberfläche (19) relativ zueinander durch Temperaturänderungen nicht wesentlich beeinflußt wird.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Fläche (28) angepaßt ist, um sich um etwa 5 μm zu bewegen.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die erste Öffnung (18) angepaßt ist, um Fluid von einer Quelle zu empfangen.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 10, bei der die zweite Öffnung (20) angepaßt ist, um Fluid zu einer Rohrleitung zu liefern.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Fläche (28) und die Oberfläche (19) poliert sind.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Fläche (28) ferner eine erste Einfügung (30') umfaßt, die auf derselben angeordnet ist, die Oberfläche (19) ferner eine zweite Einfügung (30) umfaßt, die auf derselben angeordnet ist, und die erste und die zweite Einfügung (30', 30) thermische Eigenschaften aufweisen, die zu denjenigen der Stapel ähnlich sind.
Betätigungsvorrichtungsanordnung gemäß Anspruch 13, bei der die Einfügungen (30', 30) aus Silizium bestehen.
Array (40, 50) von Betätigungsvorrichtungsanordnungen, das folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Reihe mit einer Mehrzahl von Betätigungsvorrichtungsanordnungen (10), wobei jede Betätigungsvorrichtungsanordnung folgende Merkmale aufweist: einen ersten (12) und einen zweiten (27) Stapel aus piezoelektrischen Materialien mit Elektrodenschichten (14), die die Stapel (12) mit einer Spannungsquelle (60) verbinden; einen Hohlraum (25), der in dem ersten Stapel (12) definiert und angepaßt ist, um den zweiten Stapel (27) aufzunehmen, der mit einem ersten Ende mit dem ersten Stapel (12) verbunden ist; eine erste Öffnung (18) und eine zweite Öffnung (20), die in dem ersten Stapel (12) definiert sind und sich in Fluidkommunikation mit dem Hohlraum (25) befinden, wobei die erste Öffnung (18) umgebend auf der Innenseite des Hohlraums (25) eine flache Oberfläche (19) ausgebildet ist, und der zweite Stapel (27) an seinem zweiten, dem er sten Ende gegenüberliegenden Ende eine flache Fläche (28) aufweist, die der flachen Oberfläche (19) gegenüberliegt, zum Bilden einer Kontaktabdichtung mit der flachen Oberfläche (19); wobei der erste (12) und der zweite (27) Stapel angepaßt sind, um ansprechend auf eine Spannung von der Spannungsquelle (60) die flache Fläche (28) von der flachen Oberfläche (19) zu lösen.
Array gemäß Anspruch 15, das mehr als eine Reihe umfaßt.
Array gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem jede der ersten Öffnungen (18) innerhalb einer gemeinsamen Öffnungsschicht (16) gebildet ist.
Array gemäß Anspruch 17, bei dem jede der zweiten Öffnungen (20) innerhalb der Öffnungsschicht (16) gebildet ist.
Array gemäß Anspruch 18, bei dem die Öffnungsschicht (16) thermische Eigenschaften aufweist, die zu denjenigen der Stapel (12, 27) ähnlich sind.
Array gemäß Anspruch 19, bei dem die Öffnungsschicht (16) Silizium aufweist.
Array gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem jeder der ersten (12) und zweiten (27) Stapel aus Keramikmaterial besteht.
Array gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem sich ansprechend auf die Spannung jeder der ersten (12) Stapel ausdehnt und jeder der zweiten (27) Stapel zusammenzieht.
Array gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Position von jeder Fläche (28) und jeder Oberfläche (19) relativ zueinander durch Temperaturänderungen nicht wesentlich beeinflußt wird.
Array gemäß einem der Ansprüche 15 bis 23, bei dem jede der Flächen (28) angepaßt ist, um sich um etwa 5 μm zu bewegen.
Array gemäß einem der Ansprüche 15 bis 24, bei dem jede der ersten Öffnungen (18) angepaßt ist, um Fluid von einer Quelle zu empfangen.
Array gemäß Anspruch 25, bei dem jede der zweiten Öffnungen (20) angepaßt ist, um Fluid zu einer Rohrleitung zu liefern.
Array gemäß Anspruch 25 oder 26, bei dem zumindest eine der zweiten Öffnungen (20) angepaßt ist, um Fluid zu einer ersten Rohrleitung zu liefern, und zumindest eine der zweiten Öffnungen angepaßt ist, um Fluid zu einer zweiten Rohrleitung zu liefern.